CN110757263A - 一种基于机械研磨法的微圆弧刃金刚石刀具微豁控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于机械研磨法的微圆弧刃金刚石刀具微豁控制方法，依次包括步骤：步骤1，确定刀具刃口微豁位置和大小；步骤2，修磨刀具后刀面，去除刀具后刀面微豁，同时控制刀具圆弧大小；步骤3，粗磨刀具前刀面，去除刀具前刀面和刀尖附近的微豁；步骤4，精抛刀具前刀面，去除细微的微豁和缺陷区域，控制前刀面粗糙度以及刃口轮廓；步骤5，检测刀具质量，确定刀具刃口是否损伤，若有，将返回步骤2；若刀具刃口微豁减小、但仍有微豁则继续进行步骤4，直至刀具微豁消失、且圆弧尺寸达到需要值。本发明可有效避免崩裂、微豁复现等现象，以提高金刚石返修的效率；并减少了去除量，提高刀具反复利用次数，降低刀具使用成本。

Description

一种基于机械研磨法的微圆弧刃金刚石刀具微豁控制方法

技术领域

本发明涉及超精密切削加工技术领域，具体涉及一种基于机械研磨法的微圆弧刃金刚石刀具微豁控制方法。

背景技术

随着制造技术的不断发展，微结构表面和微功能器件越来越广泛的应用在光学、航空航天、机械电子和生物医学等领域，这些微小的结构一般具有高度整齐的规则性和较大的深宽比，会使得元件在使用时表现出某些优异的性能。典型的微结构有微透镜阵列、微槽结构、金字塔阵列等。

目前高精度的微结构和微器件的加工主要是依靠超精密金刚石切削技术完成的。作为重要的应用工具，微圆弧金刚石刀具的制造水平直接影响了微结构/微器件的加工质量。微圆弧金刚石刀具是指刀尖半径在0.1mm～0.001mm(甚至更小)的微细刀具，被应用在各种微结构、微器件的超精密切削加工中，微圆弧金刚石刀具与传统金刚石刀具相比其最大的特点就是刀尖半径极小。高精度的微圆弧金刚石刀具刃口锋利度可达30nm以下，刀尖圆弧波纹度优于0.1um，目前主要靠进口，国内企业还无法实现商品化供应，且价格昂贵、生产周期漫长，同时也存在刀具磨损之后返修比较困难的问题。

金刚石刀具刃口的微豁是指处于刀刃上、并扩展到附近前后刀面的微小崩口、缺陷和裂纹，其尺度在平行或垂直于刀具刃口方向大约为数百纳米到数十微米之间，刀具刃口微豁对超精密切削过程的表面微观形貌的形成和精度有着重要影响。研究表明，超精密切削时刀具刃口越平滑、轮廓精度越高，工件表面质量就越高，尤其对高精度光学元器件和超光滑表面的加工而言，刀具切削部位极小的缺陷可能导致表面出现致命的“瑕疵”或“划痕”，影响使用性能。

一般的微圆弧刀具在使用过后，刃口部位难免出现崩刃和微豁，对其进行改制和返修，去除微豁，恢复各项几何指标，是降低成本、缩短制造周期的有效途径，但微圆弧金刚石刀具的微豁返修具有很大难度，因为其刃口精准定向很困难，结构刚性差，前、后刀面圆弧修磨容易产生崩口，返修后的锋利度和波纹度不易控制。目前微圆弧金刚石刀具返修、制备的方法主要是聚焦粒子束(Focused ion beam,FIB)刻蚀法和机械研磨法。

聚焦粒子束技术是利用聚焦的高能束斑在指定位置进行高精度的刻蚀加工，从而加工出微小的刀尖结构，其优点是刀尖的边缘极其锋利、刀尖半径可以做到很小，同时刀具的几何结构多变，满足异形或复杂形状的要求，但用该方法加工的刀具一般都存在明显的沟道效应，使得表面粗糙度较差，切削刃不够平滑，会导致加工元件的轮廓精度和表面质量变差，同时聚焦粒子束设备昂贵，操作复杂。

机械研磨法是金刚石刀具返修和制备应用最为广泛的传统技术，它是在专用的刃磨机床上使用金刚石砂轮对刀具进行磨削，其本质是金刚石颗粒与金刚石材料的互研，优点是去除效率高，能快速稳定的获得需要的刃口轮廓，但存在精确控制材料去量较难、无法研磨复杂结构刀具、刀尖容易崩裂、产生微豁等不足。

综上所述，从使用成本、制备效率和维护使用性等多方面考虑，目前机械研磨法依然是微圆弧金刚石车刀最合适的加工方法，但传统的金刚石刀具制备技术也无法很好的适用微圆弧金刚石刀具微豁的返修，主要有以下几方面原因：

1)由于微圆弧刀具的刀尖半径过小，微豁区域集中在刀尖部位，而刀尖区域的整体刚性较弱，磨削时与砂轮相互接触磨削很容易产生崩裂、微豁复现等现象；

2)微圆弧刀具进行微豁返修时必须保证刀具要有足够的强度和刚度，不能去量太多降低刀具的耐用性，这就要求在关注刀具几何轮廓指标时也要满足高强度的切削使用要求；

3)微圆弧刀具对刃口波纹度和粗糙度要求极高，返修后刀尖的轮廓精度和表面粗糙度直接影响加工质量，必须严格控制修磨精度，达到精密控制的难度较大。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供了解决上述问题的一种基于机械研磨法的微圆弧刃金刚石刀具微豁控制方法，可有效避免崩裂、微豁复现等现象，以提高金刚石返修的效率；并减少了去除量，提高刀具反复利用次数，降低刀具使用成本。

本发明通过下述技术方案实现：

一种基于机械研磨法的微圆弧刃金刚石刀具微豁控制方法，依次包括以下步骤：

步骤1，确定刀具刃口微豁位置和大小；

步骤2，修磨刀具后刀面，去除刀具后刀面微豁，同时控制刀具圆弧大小；

步骤3，粗磨刀具前刀面，去除刀具前刀面和刀尖附近的微豁；

步骤4，精抛刀具前刀面，去除细微的微豁和缺陷区域，控制前刀面粗糙度以及刃口轮廓；

步骤5，检测刀具质量，确定刀具刃口是否损伤，若有，将返回步骤2；若刀具刃口微豁减小、但仍有微豁则继续进行步骤4，直至刀具微豁消失、且圆弧尺寸达到需要值；

上述刀具为微圆弧刃金刚石刀具。

进一步地，所述步骤1中，还包括初判使用后的刀具质量，预估刀具返修去除量。

进一步地，所述步骤2中，具体包括以下步骤：

步骤2-1，设定研磨压力保持恒定，依据刀具圆弧不同角度下的去除量，确定难易磨方向和角度；

步骤2-2，根据微豁的位置和大小，沿步骤2-1确定的易磨方向和角度对两后刀面去量，去除刀具的刃口崩刃和微豁，形成尖刀后刀面圆弧修磨成型。

进一步地，依据后刀面修磨刃口微豁大小，预留修磨出刃高度H，H＝R/sinθ，其中R为刀具圆弧半径，θ为后刀面与竖直方向的夹角。

进一步地，所述步骤3中，具体包括以下步骤：

步骤3-1，对刀具前刀面与修磨器械接触面进行调节，防止与微圆弧段接触不当造成微圆弧段崩裂；

步骤3-2，试磨寻找前刀面修磨方向，确定易修磨方向，修磨去量，缩小微豁区域。

进一步地，所述步骤4，根据微豁的位置和大小，通过适应性调整修磨器械作业参数，去除微豁，完成刃口修磨。

本发明具有如下的优点和有益效果：

本发明提供了一种微圆弧金刚石刀具微豁控制方法，可有效避免崩裂、微豁复现等现象，提高金刚石返修的效率，并减少去除量，提高刀具反复利用次数，降低刀具成本。

本发明通过比较简单的操作可以实现微圆弧金刚石刀具的修磨制备，效率较高，且修磨出的刀具质量较高，能实现刀尖半径R0.01以下的微圆弧金刚石刀具的修磨和制备。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明一种基于机械研磨法的微圆弧刃金刚石刀具微豁控制方法流程图；

图2为微圆弧刀具结构简图；附图2中标记及对应的零部件名称：1-前刀面，2-刃口，3-后刀面，4-副后刀面；

图3为微圆弧刀具的刀尖结构简图；图中(a)表示刀尖俯视图，(b)表示刀尖正视图，(c)表示刀尖俯视的局部放大图，(d)表示刀尖正视的局部放大图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

本实施例提供了一种基于机械研磨法的微圆弧刃金刚石刀具微豁控制方法，针对微圆弧刃金刚石刀具，操作步骤依次为：

步骤1，初判使用后的刀具质量，确定刀具刃口微豁位置和大小，预估刀具返修去除量。

步骤2，修磨刀具后刀面，去除刀具后刀面微豁，同时控制刀具圆弧大小，具体操作为：

步骤2-1，设定研磨压力保持恒定，依据刀具圆弧不同角度下的去除量，确定难易磨方向和角度；

步骤2-2，依据后刀面修磨刃口微豁大小，预留修磨出刃高度H，H＝R/sinθ，其中R为刀具圆弧半径，θ为后刀面与竖直方向的夹角；沿步骤2-1确定的易磨方向和角度对两后刀面去量，去除刀具的刃口崩刃和微豁，形成尖刀后刀面圆弧修磨成型。

步骤3，粗磨刀具前刀面，去除刀具前刀面和刀尖附近的微豁，具体包括以下步骤：

步骤3-1，对刀具前刀面与修磨器械接触面进行调节，防止与微圆弧段接触不当造成微圆弧段崩裂；

步骤3-2，试磨寻找前刀面修磨方向，确定易修磨方向，修磨去量，缩小微豁区域。

步骤4，精抛刀具前刀面，去除细微的微豁和缺陷区域，控制前刀面粗糙度以及刃口轮廓；本步骤中是根据微豁的位置和大小，通过适应性调整修磨器械作业参数，去除微豁，完成刃口修磨。

步骤5，检测刀具质量，确定刀具刃口是否损伤，若有，将返回步骤2；若刀具刃口微豁减小、但仍有微豁则继续进行步骤4，直至刀具微豁消失、且圆弧尺寸达到需要值。

实施例2

本实施例提供一种基于机械研磨法的微圆弧刃金刚石刀具微豁控制方法，具体步骤依次如下所示：

步骤1，通过在高倍光学显微镜和原子力显微镜观测微圆弧刀具，初判刀具质量，确认微豁区域和大小，并预估刀具返修去除量。

步骤2，首先粗略确定刀具后刀面圆弧难易磨方向。选用磨刀机800粒度金刚石砂轮，安装刀具找正在1um以内，1.0KG恒压力，转速3000r/min，往复运动周期5次/min，圆弧回转速度2min/周期(为确保记录去量与角度关系选用慢速)，磨削方向选用平行于后刀面锥面方向修磨，注入高压空气保持刀具冷却状态，观察刀具摆动过程中磨削压力表的浮动情况，在去量最不明显与最明显角度位置记下数据，这是刀具晶向的难易磨削转折界限，左右两侧去量速度低是因为两侧副后刀面为面接触，单位面积压强小。

然后，为保证足够刚度，防止刀具崩裂，采用预先估计崩裂值预留量方法。后预估后刀面修磨刃口微豁大小，预留修磨出刃高度H，H＝R/sinθ，其中R为刀具圆弧半径，θ为后刀面与竖直方向的夹角，如图3所示。

最后，在金刚石专用磨刀机，在1.5KG大压力，800粒度砂轮粗磨后刀面，去除足够量使微豁减少，同时修磨圆弧段，形成微小的圆弧，注意控制修磨两侧副后刀面，待微豁已无法观测到时，单换用3000粒度砂轮，精修磨后刀面形成尖刀，通过控制恒压力进量，修磨出微圆弧。

步骤3，调节刀具前刀面的接触面，防止与微圆弧段接触不当造成微圆弧段崩裂；试磨寻找前刀面修磨方向，确定易修磨方向，修磨去量，去除明显刃口微豁，使微豁区域尽快缩小。粗抛采用平抛机高转速大幅度往复运动；可采用步骤2的方法在恒压力模式下寻找易修磨方向和角度。

步骤4，精抛采用平抛机中低速小幅度往复运动对化学反应产生的沟槽进行修整，去除微豁，达到较好质量前刀面，完成刀具修磨。

步骤5，检测刀具质量，确定刀具刃口是否崩裂，若崩，将返回步骤2；若刃口微豁减小则继续进行步骤4，直至微豁消失圆弧尺寸达到需要值，完成修磨。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于机械研磨法的微圆弧刃金刚石刀具微豁控制方法，其特征在于，依次包括以下步骤：

步骤1，确定刀具刃口微豁位置和大小；

步骤2，修磨刀具后刀面，去除刀具后刀面微豁，同时控制刀具圆弧大小；

步骤3，粗磨刀具前刀面，去除刀具前刀面和刀尖附近的微豁；

步骤4，精抛刀具前刀面，去除细微的微豁和缺陷区域，控制前刀面粗糙度以及刃口轮廓；

步骤5，检测刀具质量，确定刀具刃口是否损伤，若有，将返回步骤2；若刀具刃口微豁减小、但仍有微豁则继续进行步骤4，直至刀具微豁消失、且圆弧尺寸达到需要值；

上述刀具为微圆弧刃金刚石刀具。

2.根据权利要求1所述的一种基于机械研磨法的微圆弧刃金刚石刀具微豁控制方法，其特征在于，所述步骤1中，还包括初判使用后的刀具质量，预估刀具返修去除量。

3.根据权利要求1所述的一种基于机械研磨法的微圆弧刃金刚石刀具微豁控制方法，其特征在于，所述步骤2中，具体包括以下步骤：

步骤2-1，设定研磨压力保持恒定，依据刀具圆弧不同角度下的去除量，确定难易磨方向和角度；

步骤2-2，根据微豁的位置和大小，沿步骤2-1确定的易磨方向和角度对两后刀面去量，去除刀具的刃口崩刃和微豁，形成尖刀后刀面圆弧修磨成型。

4.根据权利要求3所述的一种基于机械研磨法的微圆弧刃金刚石刀具微豁控制方法，其特征在于，依据后刀面修磨刃口微豁大小，预留修磨出刃高度H，H＝R/sinθ，其中R为刀具圆弧半径，θ为后刀面与竖直方向的夹角。

5.根据权利要求1或3所述的一种基于机械研磨法的微圆弧刃金刚石刀具微豁控制方法，其特征在于，所述步骤3中，具体包括以下步骤：

步骤3-1，对刀具前刀面与修磨器械接触面进行调节，防止与微圆弧段接触不当造成微圆弧段崩裂；

步骤3-2，试磨寻找前刀面修磨方向，确定易修磨方向，修磨去量，缩小微豁区域。

6.根据权利要求1所述的一种基于机械研磨法的微圆弧刃金刚石刀具微豁控制方法，其特征在于，所述步骤4，根据微豁的位置和大小，通过适应性调整修磨器械作业参数，去除微豁，完成刃口修磨。

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